Радиационная газовая горелка и способ проведения процесса горения в ней
Владельцы патента RU 2462661:
Учреждение Российской академии наук Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН (ИТПМ СО РАН) (RU)
Учреждение Российской академии наук Томский научный центр Сибирского отделения РАН (ТНЦ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к энергетике, а именно к устройствам, в которых существенная часть химической энергии газообразного топлива превращается в энергию электромагнитного излучения преимущественно в инфракрасной области спектра. Радиационная газовая горелка содержит жаростойкий пористый цилиндрический насадок с заглушкой с одной стороны и газоподводящим патрубком с соплом с другой и запальное устройство, жаростойкий пористый цилиндрический насадок выполнен сменным и снабжен быстроразъемным соединением с газоподводящим патрубком и газовым соплом, установленными соосно ему и с возможностью перемещения вдоль его оси. Жаростойкий пористый цилиндрический насадок выполнен с профилированной наружной поверхностью так, что стенка насадка имеет регулярно переменную толщину вдоль своей продольной оси. Жаростойкий пористый цилиндрический насадок снабжен дополнительным коаксиально расположенным в зоне горения кольцевым насадком, выполненным из высокопроницаемого ячеисто-пористого материала. Изобретение позволяет повысить безопасность работы в широком диапазоне мощностей. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к энергетике, а именно к устройствам и способам, в которых существенная часть химической энергии газообразного топлива превращается в энергию электромагнитного излучения преимущественно в инфракрасной области спектра с целью ее преобразования в другие виды (тепловую, электрическую, химическую) энергии. Инфракрасные (ИК) радиационные горелки используются для бытовых (отопление, обогрев) и промышленных (нагрев материалов, рабочих сред) нужд и обладают рядом преимуществ перед традиционными горелками с открытым пламенем. При радиационном теплообмене все излученное тепло мгновенно передается нагреваемому телу, причем энергия излучения пропорциональна четвертой степени температуры излучателя. Тепловой поток при лучистом теплообмене является экологически чистым и проще управляемым, чем при конвективном теплообмене, что позволяет уменьшать габариты установок и упростит конструкцию. Радиационные беспламенные горелки, в отличие от горелок с открытым пламенем (факельных), обладают относительно низким уровнем акустического шума и вредных выбросов.
Известны инфракрасные излучатели в виде высокотемпературных газовых горелок: «Молния», ГИИБЛ, горелки промышленные фирм «Радиант-Хейтинг», «Ассей» и другие (Ициксон Б.С, Денисов Ю.Л. Инфракрасные газовые излучатели. - М., 1969.; Ициксон Б.С, Денисов Ю.Л. Газовые инфракрасные излучатели и их использование в народном хозяйстве. - М., 1965).
К основным недостаткам этих горелок можно отнести сложность конструкции и изготовления керамических деталей, возможность проскока пламени в смеситель при высоких температурах и трудность подбора условий процесса, не допускающего отрыва пламени и обеспечивающего полноту сгорания.
Известен инфракрасный излучатель, содержащий проницаемый для газа объемный керамический насадок с центральным каналом для ввода и распределения горючей газовой смеси. Насадок инфракрасного излучателя состоит из коаксиально расположенных и чередующихся между собой негофрированных и гофрированных цилиндров из активированной катализатором керамики. Каналы в теле насадка, через которые выходит газ и в которых происходит процесс горения, имеют регулярную зигзагообразную форму. Газовую рабочую смесь предварительно подготавливают в смесителе, расположенном вне излучателя (RU 2110015, МПК F23D 14/18, 1996).
Данное техническое решение имеет следующие недостатки. Повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное зигзагообразной структурой насадка, ограничивает скорость подачи рабочей смеси и, в конечном итоге, влияет на предельную величину мощности устройства. Сжигание газа внутри тела насадка ограничивает энергонапряженность (количество энергии, отдаваемое насадком с 1 см2), для увеличения которой требуется высоконапорный вентилятор для подачи воздуха. В процессе эксплуатации не исключена возможность проскока пламени в смеситель.
Наиболее близким по технической сущности решением является универсальный пористый насадок для беспламенной газовой горелки, выполненный в виде керамической или металлокерамической на основе оксидов металлов трубы с открытой пористостью, равной 60-70%, причем каналы пор имеют периодически переменное сечение и любая из пор соединена микроканалами с соседними порами. Для расширения диапазона устойчивого горения и обеспечения дополнительного теплового излучения над поверхностью трубы размещена сетка из жаропрочной стали, которая исполняет функции дожигателя газа, стабилизатора пламени и дополнительного излучателя. Заранее приготовленная в смесителе горючая газовая смесь подается в керамическую трубу под давлением, фильтруется через пористое тело насадка, выходит на наружную поверхность трубы, воспламеняется запальником и сгорает в тонком поверхностном слое снаружи пористого насадка, раскаляя последний до 1100°С и вызывая мощный поток ИК-излучения во все стороны (RU 2310129, МПК F23D 14/12, 2006).
Наряду с несомненными многочисленными достоинствами данная горелка имеет существенный недостаток: возможность проскока пламени внутрь трубы и далее в смеситель с аварийными последствиями. Это может произойти в результате появления трещин в керамическом материале или при чрезмерном разогреве трубы. Поэтому при эксплуатации газовой горелки необходим подбор режимов горения, тщательный осмотр керамики на предмет трещин и другие меры, предотвращающие проскок пламени.
Задачей настоящего изобретения является повышение безопасности работы в широком диапазоне мощностей радиационной газовой горелки с обеспечением экологической чистоты по шуму и эмиссии вредных веществ, при простоте конструкции.
Технический результат достигается тем, что радиационная газовая горелка содержит жаростойкий цилиндрический пористый насадок в виде трубы с заглушкой с одной стороны и газоподводящим патрубком с соплом с другой и запальное устройство, согласно изобретению жаростойкий пористый цилиндрический насадок выполнен сменным и снабжен быстроразъемным соединением с газоподводящим патрубком и соплом, установленными соосно ему и с возможностью перемещения вдоль его оси. Цилиндрический пористый насадок может быть выполнен с профилированной наружной поверхностью так, что стенка насадка имеет регулярно переменную толщину вдоль своей продольной оси. Цилиндрический пористый насадок может быть снабжен дополнительным коаксиально расположенным в зоне горения кольцевым насадком, выполненным из высокопроницаемого ячеисто-пористого материала.
Способ проведения процесса горения в радиационной газовой горелке включает подачу газа и воздуха во внутреннюю полость жаростойкого пористого цилиндрического насадка, движение газовой смеси через поры пористого цилиндрического насадка, розжиг и процесс горения в них, согласно изобретению смешение газообразного топлива с воздухом осуществляют в полости пористого цилиндрического насадка, при этом воздух эжектируют извне через пористую стенку насадка в зоне рециркуляции струей подаваемого под давлением газа, а оптимальное соотношение компонентов топлива регулируют увеличением или уменьшением площади зоны рециркуляции положением подвижного сопла в пористом цилиндрическом насадке и/или изменением давления подаваемого через сопло газа.
Технический результат также достигается за счет того, что жаростойкий пористый цилиндрический насадок выполнен из проницаемого для газов материала с размерами пор, предотвращающих проскок пламени в смеситель. В заявляемом техническом решении смешение газообразного топлива с воздухом осуществляют в полости (внутри) цилиндрического насадка за счет эжекции воздуха извне через стенку насадка струей топлива, истекающей из сопла под давлением, что обеспечивает повышение безопасности работы горелки по сравнению с прототипом, где смешение воздуха и газообразного топлива осуществляют во внешнерасположенном смесителе, что при проскоке пламени внутрь трубы и далее в смеситель может привести к аварийным последствиям.
Для улучшения характеристик работы заявляемая радиационная газовая горелка может имеет профилированную поверхность цилиндрического насадка или дополнительный кольцевой насадок, коаксиально расположенный в зоне горения и выполненный из высокопроницаемого ячеисто-пористого материала (ВПЯМ) (Леонов А.Н., Сморыго О.Л., Шелег В.К. Высокопористая проницаемая керамика. - Минск, 1995).
Радиационная газовая горелка может быть реализована для диапазона мощностей от десятков ватт до мегаватт лишь за счет изменения ее габаритов. Простота конструкции газовой горелки с быстроразъемным соединением узла подвода газового топлива через сопло с пористым цилиндрическим насадком позволяет использовать сменные цилиндрические насадки различных типоразмеров и профилированных конфигураций наружной поверхности.
Регулировка состава топлива (коэффициента избытка воздуха) может достигаться путем перемещения сопла по оси цилиндрического насадка, изменяя при этом площадь входа воздуха в рециркуляционной зоне.
Тепловая мощность заявляемой радиационной газовой горелки может регулироваться в широких пределах (в 10 ч - 20 раз) путем изменения давления подаваемого в цилиндрический насадок газового топлива.
На фиг.1 представлена радиационная газовая горелка в разрезе с зоной рециркуляции и зоной горения; на фиг.2 - то же с профилированной поверхностью пористого цилиндрического насадка; на фиг.3 - то же с дополнительным кольцевым насадком из высокопроницаемого ячеисто-пористого материала, установленным в зоне горения; на фиг.4 и 5 - фотографии радиационной газовой горелки с дополнительным кольцевым насадком и профилированной поверхностью соответственно.
Радиационная газовая горелка (фиг.1) содержит сменный жаростойкий пористый цилиндрический насадок 1, полый канал которого снабжен заглушкой 2 с одной стороны, а с другой узлом быстроразъемного соединения 3 газоподводящего патрубка 4 и сопла 5 с пористым цилиндрическим насадком 1. Газоподводящий патрубок 4 и сопло 5 установлены соосно пористому цилиндрическому насадку 1 с возможностью контролируемого перемещения вдоль его оси, обеспечиваемое узлом перемещения 6.
Сменный пористый цилиндрический насадок 1 (см. фиг.2) может быть выполнен различных геометрических размеров, а также с профилированной наружной поверхностью 7 различной конфигурации так, что стенка цилиндрического насадка имеет равномерно переменную толщину вдоль своей продольной оси. Профилированная наружная поверхность пористого цилиндрического насадка 7 обеспечивает улучшение характеристик работы горелки за счет уменьшения гидравлического сопротивления и ускорения разогрева насадка при запуске (см. фиг.5).
Сменный цилиндрический пористый насадок 1 (см. фиг.3) может быть снабжен дополнительным коаксиально расположенным в зоне горения кольцевым насадком 8, выполненным из высокопроницаемого ячеисто-пористого материала (ВПЯМ), который изготавливают из металлов или металлокерамики (для предлагаемой горелки - жаропрочных), имеет открытую пористость 75-99% и состоит из ячеек размером 2-6 мм. Данный материал высокопроницаем не только для газов и жидкостей, но и для инфракрасного излучения при толщине в несколько ячеек (см. фиг.4).
На входе в полость цилиндрического насадка 1 при подаче газового топлива из сопла 5 образуется зона рециркуляции 9 и далее по потоку зона горения 10. Запальное устройство 11 для воспламенения образовавшейся горючей смеси установлено в зоне горения цилиндрического пористого насадка 1 или насадка 7 с профилированной наружной поверхностью или дополнительного кольцевого насадка 8.
Способ проведения процесса горения в радиационной газовой горелке осуществляется следующим образом.
Газообразное топливо под давлением подается через газоподводящий патрубок 4 и сопло 5 в полость жаростойкого пористого цилиндрического насадка 1, в которой вследствие возникшего разрежения осуществляется эжекция окружающего воздуха извне в полость насадка через его проницаемые стенки. Полость пористого цилиндрического насадка 1, по сути дела, представляет собой смеситель газообразного топлива с эжектируемым воздухом. Качество приготовления топливно-воздушной смеси к горению обеспечивается наличием зоны рециркуляции 9 в области смешения. Из-за гидравлического сопротивления со стороны полости пористого цилиндрического насадка 1 движению струи, подаваемого газового топлива, вокруг последней возникает зона рециркуляции 9 (возвратного течения), в которой происходит смешение топлива с эжектируемым воздухом. Далее по течению струи, вследствие выравнивания профиля скоростей и ее падения из-за отвода массы, давление в полости цилиндрического насадка возрастает выше атмосферного и образовавшаяся горючая смесь истекает через проницаемую стенку пористого насадка 1 наружу, где в зоне горения 10 поджигается запальным устройством 11. Воспламенившаяся смесь охватывает часть наружной поверхности пористого цилиндрического насадка 1, затем пламя стабилизируется в его выходных слоях. По мере разогрева поверхности цилиндрического насадка приповерхностный слой пламени истончается и практически исчезает и реализуется режим внешнепорового горения, при котором по мере разогрева цилиндрический насадок раскаляется, что вызывает мощное ИК-излучение.
Регулировка работы радиационной газовой горелки осуществляется изменением давления впрыска газообразного топлива и/или положением сопла 5 в полости цилиндрического насадка 1, обеспечиваемым узлом перемещения 6. Таким образом, регулируют величину зоны рециркуляции 9 и эжектирующую воздух площадь поверхности насадка.
Для улучшения характеристик радиационной газовой горелки, пористый цилиндрический насадок 1 выполнен сменным и может иметь различные геометрические размеры и различную конфигурацию профилированной поверхности, например в виде чередующихся канавок и выступов 7, как показано на фиг.2. Профилированная поверхность насадка 7 увеличивает площадь поверхности, через которую проходят газообразные среды при эжекции воздуха и выходе из насадка горючей смеси, а также увеличивается площадь излучающей поверхности по сравнению с насадком постоянного сечения.
Улучшению характеристик работы радиационной газовой горелки служит дополнительный кольцевой насадок 8, выполненный из высокопроницаемого ячеисто-пористого материала (ВПЯМ). Расположенный в зоне горения 10 дополнительный насадок 8 разогревается до раскаленного состояния, становится дополнительным излучателем как наружу, так и в сторону пористого цилиндрического насадка 1, так что в результате взаимного облучения насадок 1 и дополнительный насадок 8 разогреваются интенсивнее, чем в его отсутствии.
Дополнительный насадок 8 является стабилизатором пламени, препятствуя его срыву при форсированных режимах горения.
В предлагаемой радиационной газовой горелке наличие мощных радиационных потоков из зоны горения и от продуктов сгорания способствует существенному снижению максимальных температур горения, и, как следствие, достигаются очень низкие значения NOx эмиссии (единицы и десятки ppm), и уменьшению уровня шума. Эффективному сжиганию газового топлива способствует дополнительный подогрев и микроперемешивание топливной смеси в порах цилиндрического насадка с профилированной наружной поверхностью или с дополнительным кольцевым насадком, выполненным из ВПЯМ.
Радиационная газовая горелка может быть реализована для диапазона мощностей от десятков ватт до мегаватт лишь за счет изменения габаритов сменного цилиндрического пористого насадка.
Регулировка состава топлива (коэффициента избытка воздуха) соотношение «газ-воздух» может производиться путем перемещения сопла по оси пористого цилиндрического насадка для изменения площади входа воздуха.
Тепловая мощность регулируется в широких пределах (в 10-J-20 раз) путем изменения давления газа.
1. Радиационная газовая горелка, содержащая жаростойкий пористый цилиндрический насадок, с заглушкой с одной стороны и газоподводящим патрубком с соплом с другой, и запальное устройство, отличающаяся тем, что жаростойкий пористый цилиндрический насадок выполнен сменным и снабжен быстроразъемным соединением с газоподводящим патрубком и газовым соплом, установленными соосно ему и с возможностью перемещения вдоль его оси.
2. Радиационная газовая горелка по п.1, отличающаяся тем, что жаростойкий пористый цилиндрический насадок выполнен с профилированной наружной поверхностью так, что стенка насадка имеет регулярно переменную толщину вдоль своей продольной оси.
3. Радиационная газовая горелка по п.1, отличающаяся тем, что жаростойкий пористый цилиндрический насадок снабжен дополнительным коаксиально расположенным в зоне горения кольцевым насадком, выполненным из высокопроницаемого ячеисто-пористого материала.
4. Способ проведения процесса горения в радиационной газовой горелке, включающий подачу газа и воздуха во внутреннюю полость жаростойкого пористого цилиндрического насадка, движение газовой смеси через поры его стенки, розжиг и процесс горения в них, отличающийся тем, что смешение газообразного топлива с воздухом осуществляют в полости жаростойкого пористого цилиндрического насадка, при этом воздух эжектируют извне через пористую стенку насадка в зоне рециркуляции струей подаваемого под давлением газа, а оптимальное соотношение компонентов топлива регулируют увеличением или уменьшением площади зоны рециркуляции положением подвижного сопла в пористом цилиндрическом насадке и/или изменением давления подаваемого через сопло газа.
